零碳科技：将雨转化为可再生能源

随着世界寻求化石燃料的可持续替代品，可再生能源的创新解决方案至关重要。研究人员现在已经找到了一种从雨滴中产生清洁能源的方法。这项技术不需要阳光普照的沙漠，也不依赖强风呼啸的海岸，在年均降雨量高的区域，家家户户的屋顶都可能成为微型发电厂，"雨水发电机"或许将打开绿色能源的新赛道。

​这种新技术发表在《ACS Central Science》杂志上，它通过利用雨水通过细管的能量来发电。该方法可以在测试中为 12 个 LED 灯供电。未来通过将其转换为屋顶设备，它可能会带来一种在暴雨中保持灯亮的方法。

新加坡国立大学的 Siowling Soh 及其同事设计了一种依赖于电荷分离的技术。这种现象是静电的基础，涉及带相反电荷的粒子分离，从而在它们之间产生电压。可以将落下的水滴（如雨水中的水滴）转化为可用的电能。

通过引导液滴通过狭窄的垂直管以产生“活塞流”，他们能够以惊人的效率分离电荷并收集能量。这种简单的设置不仅克服了传统电荷分离方法的低效率，而且产生的功率足以点亮 12 个 LED。由于在屋顶和城市环境中的潜在应用，这种创新系统可以提供一种可持续且低成本的水力发电替代方案。

利用运动中的静电

当两种材料接触时，它们表面的电荷会发生变化——一个熟悉的例子是在皮肤上摩擦气球所产生的静电。同样，当水流过某些表面时，它会吸收或失去电荷。现在，今天（4 月 16 日）在 ACS Central Science 上报告的研究人员已经利用这种效应，利用流经窄管的雨滴来发电。该系统产生的功率足以点亮 12 个 LED。

通过垂直管落下的水产生大量电力：活塞流。这种活塞流模式可以收集雨水能量来产生清洁和可再生的电力。

为什么传统水力发电不足

传统的水力发电的工作原理是将大量水输送到涡轮机。但这仅适用于水源充足的地方，例如河流。对于较小、较慢的水流，研究人员探索了一种替代方案：电荷分离。当水流经衬有导电表面的通道时，该过程会产生电力。然而，它的效率非常低，因为电荷仅在水接触的表面积聚。

为了提高效率，科学家们尝试使用微米和纳米通道来增加表面积。但这些通道非常小，以至于水不容易流过它们——泵送它消耗的能量超过了系统产生的能量。为了解决这个问题，Soh、Chi Kit Ao 和他们的团队正在寻找一种方法，利用雨水可以自然通过的更大通道来发电。

设计活塞流发电机

该团队设计了一个简单的设置，水通过金属针从塔底流出，并将雨水大小的水滴喷入 12 英寸高（32 厘米高）和 2 毫米宽的垂直聚合物管的开口中。管子顶部的液滴正面碰撞导致活塞流：短水柱穿插着气囊。当水流下管子内部时，电荷分离。然后将水收集在管下方的杯子中。放置在管子顶部和杯子中的电线收集了电力。

活塞流系统将流经管道的水的 10% 以上的能量转化为电能。与连续流中的水相比，活塞流产生的电力多出 5 个数量级。由于测试的液滴速度比雨水慢得多，研究人员认为该系统可用于从落下的雨滴中收集电力。

在另一项实验中，研究人员观察到，同时或依次通过两根管子的水会产生双倍的能量。利用这些信息，他们将水引导通过四根管子，该装置连续为 12 个 LED 供电 20 秒。研究人员表示，活塞流能源可能比水力发电厂更易于设置和维护，并且可能便于屋顶等城市空间。

在气候变化加剧的当下，这项技术尤其适合多雨城市和岛屿地区。想象未来摩天大楼的外墙布满隐形雨能管，台风过境时不仅不怕停电，反而能储备更多电力。当一滴雨的重量仅有0.05克，却能释放点亮世界的光芒，这场"向天空要能源"的革命，或许能够进一步增强能源的可持续性和韧性。

DOI： 10.1021/acscentsci.4c02110